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広島市内幹線道路における信号制御システムの開発事例
桝田 温子*・清水 光**

A Case Study for System Development of Signal Control
System along Arterials in Hiroshima City
Haruko Masuda * , Hikaru Shimizu**
Abstract

The signal control system is most effective to control congestion lengths along arterials. In thispaper, the signal control system is described by a nonlinear discrete dynamic system and proposedas the parameter optimization problem which minimizes the sum of congestion lengths at thesignalized intersections. The development procedure of the signal control system is proposed under
the condition of the road design and the traffic regulation. A case study for the system developmentof the signal control system is considered along the route 54 in Hiroshima city.

１．はじめに近年，自動車交通は経済の発展，生活水準の向上，道路網の整備，自動車の技術革新などに伴って発展してきた．自動車交通は，わが国の交通機関の中で年間の旅客総輸送量や貨物総輸送量が最も多く，その重要性を一段と増している[1]．
一方，自動車交通の発展に伴い，都市道路網の幹線道路を中心とした朝夕のラッシュ時における交通渋滞の発生や，交通事故による死亡や負傷，有害化学物質の排出などの社会的問題が発生している．現在まで，交通流の円滑化や安全化，環境負荷の低減化を図るため，道路の整備や交通規制，信号制御[2]～[4]，動的経路誘導[5]などについて研究開発が進められてきた．これらの対策の中で，信号制御システムは，交通量の時間変動に対応してサイクル長や青信号スプリット，オフセットから構成される 3 つの信号制御パラメータを評価関数が最適化されるようにオンラインで探索するため，交通渋滞を解消または軽減する最も有効なシステムの一つであると考えられる．ここで，3 つの信号制御パラメータは以下のように定義される[6]．サイクル長は信号表示によっ*情報工学科**福山大学て与えられる現示が一巡する間の所要時間のことであり，青信号スプリットはサイクル長に対する青信号時間の比率を表し，オフセットは基準時点から各信号機の青信号開始時点のズレを絶対オフセット，隣接信号機間の青信号開始時点のズレを相対オフセットという．
現在実用化されている信号制御システムとして，
SCAT[2] や SCOOT[3] ，MODERATO[4] などが挙げられる．これらは，遅れ時間の減少などで一定の効果のあることが確認されている．
本稿では，広島市内幹線道路の信号制御システムを開発するために，広島市内国道 54 号線における信号制御システムの一開発手法について提案する．最初に，3 つの信号制御パラメータを渋滞長の総和が最小化されるように探索する信号制御システムを提案する．つぎに，道路設計と交通規制の条件が与えられたもとで，信号制御システムを体系的に開発する手順について提案し，最後に，国道 54 号線の複数信号交差点における道路特性や交通特性，信号制御特性について解析する．

平成 25 年 9 月 30 日受理

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紀要

第 36 号（平成 26 年）

 x e ( j , m, k ) = x e ( j , m, k − 1) + x i ( j , m, k )− u ( j , m, k ) y ( j , m, k ) = l ( j , m, k ) ⋅ x ( j , m, k )me c２．信号制御システム(3)
２．１ システムの記述
信号制御の対象となる交通流ダイナミクスを車線
渋滞長 y c ( j , m, k ) は状態変数 xe ( j , m, k ) に変換係数
単位，サイクル長単位で記述する．図 1 に示されるl ( j , m, k ) を乗じて求められる．ここで，変換係数
信号交差点の各車線において，時間 ∆T （ここでは ml ( j , m, k ) は待ち車列の平均車頭間隔に相当し，車サイクル長に等しい）で以下の交通量収支が成立す m
種構成によって変動する．制御入力 u ( j , m, k ) は(2)る．
式の捌け交通量 xo ( j , m, k ) に相等し，交通処理量x e ( j , mk ) = x e ( j , m, k − 1) + x i ( j , m, k )(1) ψ x ( j , m, k ) の特性に基づき飽和特性を有する．信号− x o ( j , m, k )制御システムで，基準入力に許容渋滞長 l r ( j , m, k ) を，

 xo ( j , m, k ) = x ( j , m, k ) ⋅ψ x ( j , m, k ) xe ( j , m, k ) ≥ 0(2)ここで，j は信号交差点の位置，m は車の流入路（ m=1 は東行き，m =2 は南行き，m =3 は北行き，m =4は西行き）をそれぞれ表し，時刻 k ⋅ ∆T （ k = 1, 2,…, k f ）は，表現を簡単にするために単に k と表す

制御入力に 3 つの信号制御パラメータを，出力に渋滞長をそれぞれ対応させる．そのとき，各信号交差点における渋滞長のフィードバック制御システムが
図 2 で構成される．制御システムにおいて，制御偏差 e( j , m, k ) を次式で定義する．

e( j , m, k ) = l r ( j , m, k ) − yc ( j , m, k )(4)

二方向交通幹線道路の信号制御システムは，流入交通量が車両感知器によりサイクル長単位で入力さx o ( j , m, k ) はそれぞれ超過流入交通量，流入交通量， れると仮定すると，渋滞長の総和で定義される次式
捌け交通量を表し，ψ x ( j , m, k ) は各流入路の交通処 の評価関数 J a (k ) を最小にする制御入力である 3 つ理量， ξ ( j , m, k ) はある交通流のもとで x o ( j , m, k ) の信号制御パラメータの最適化問題として記述されをψ x ( j , m, k ) で除した比率で捌け率と呼ぶことに る．
こ と に す る ． ま た ， x e ( j , m, k ) ， x i ( j , m, k ) ，する．(2）式の x e ( j , m, k ) に関する制約条件は，物N

4J a (k ) = ∑∑ g ( j , m, k )(5)
理的な意味に基づいている．捌け交通量をある交通
j =1 m =1
流のもとで信号制御パラメータで制御できると仮定
して制御入力 u ( j , m, k ) で置き換えると，渋滞長の信 ここで， N は幹線道路の信号交差点数を示し，関数号制御システムは次式の非線形ダイナミックシステ g ( j , m, k ) は制御偏差に基づいて以下のように定義される．

ムで記述される．

g ( j , m, k ) =2

j=1m=1N

m=2
Arterial

m=4m=3：Signalized intersection
図 1 二方向交通幹線道路
信号制御
アルゴリズム
信号制御パラメータ+－

図2

信号制御器

交通流

各信号交差点における渋滞長のフィードバック制
御システム

0
 e( j , m, k )e( j , m, k ) ≥ 0(6)e( j , m, k ) < 0

２．２ 信号制御アルゴリズム
二方向交通幹線道路における信号制御法としてバランス制御アルゴリズムを使用する[7]．ここで，バランス制御アルゴリズムとは，信号交差点において互いに交差する流入路の制御偏差の最大値を等しくし，かつ，評価関数 J a (k ) を最小にする 3 つの信号制御パラメータを統一的，逐次的に探索する計算法である．バランス制御アルゴリズムでは，最初に，オフセット制御の観点から， N 個の信号交差点におけるサイクル長の最大値がすべての信号交差点に共通に設定される．つぎに，各信号交差点の青信号スプリットとオフセットが評価関数 J a (k ) を最小にするように探索される．

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力し，シミュレーションプログラムを用いて 3 つの信号制御パラメータの最適値や各流入路の渋滞長な幹線道路の交通流の円滑化と安全化を交通流ダイ どを求める．最後に，求められた解が現実的に妥当ナミクスの制御の観点から実現する確定的信号制御 で満足できるものであればシミュレーションは終システムの開発は，幹線道路の道路設計や交通規制 了し，そうでなければ信号制御システムの記述にが与えられていると仮定すると，図 3 に示される手 戻って再検討する．
順で行われる．
４．開発事例
最初に，道路解析では，交通容量解析や信号制御に必要な幹線道路の各リンクのリンク長や車線数，ここでは，3 章で述べた信号制御システムの開発
車線幅員，側方余裕，設計速度，交通規制などをはじめ，各信号交差点の交差形状や車線構成などにつ 手順のうち，最初の道路解析と交通解析について，いて調査する．交通解析では，交通量収支や交通容 広島市内国道 54 号線の 4 つの信号交差点を対象に量を解析するために必要な信号交差点の各流入路に 考察する．4 つの信号交差点の車線数とリンク距離，車線数は 3 または 4 車線で，おける流入交通量や待ち車列台数，大型車混入率， 法定速度を図 4 に示す．
路線バスの運行頻度，捌け交通量，左折率などにつ 法定速度は，すべてのリンクにおいて 50km/h とないて調査する．交通容量解析では，車線幅員，側方 っている．
信号交差点の名称は，j=1 から j=4 の順に，それ余裕，大型車混入率，路線バスの運行頻度などの補正率を用いて交通容量を算出する．信号制御システ ぞれ広島城南，紙屋町，白神社前，広島市役所前とムの記述では，交通流ダイナミクスの表現や制御シ なっている．
ステムの構成，評価関数などについて決定する．信号制御アルゴリズムの開発では，幹線道路の信号交 ４．１ 道路解析
信号制御の対象となる 4 つの信号交差点の車線構差点の各流入路における渋滞長の総和を最小にする
3 つの信号制御パラメータを統一的に探索する計算 成と現示について整理すると以下のようになる．図
手順を求める．シミュレーションでは，対象とする 4 の j=1 に位置する広島城南信号交差点の車線構成
幹線道路の道路条件や交通条件をはじめ，信号制御 と現示を示すと図 5 のようになる．ここで，現示とパラメータの上下限値やきざみ幅，初期値などを入 は，信号表示によって通行権を与える或る交通流あるいは交通流の組み合わせと定義されている．この信号交差点は T 形交差となっており，東行き流入路
開始と南北方向の道路が国道 54 号線となっている．東行
き流入路は，直進 2 車線，右折 2 車線の合計 4 車線
道路解析
から，また，西行き流入路は左折 1 車線，直進 2 車
交通解析
３．信号制御システムの開発手順

N

広島城

交通容量解析
j=1
信号制御システムの記述

法定速度(km/h)

50

470

50630

50600

2
信号制御アルゴリズムの開発

リンク
距離(m)

3
シミュレーション
4No

解の評価
Yes
終了

図 3 信号制御システムの開発手順

国道 2 号線

国道 54 号線
：信号交差点：導流島のある信号交差点
図 4 国道 54 号線の道路特性

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線の合計 3 車線からそれぞれ構成されている．北行 2 車線の合計 4 車線から構成されている．それに対き流入路は，左折 2 車線，右折 2 車線の合計 4 車線 し，南行き流入路と北行き流入路は直左 1 車線，直から構成されている．現示数は 3 現示で，1φでは西 進 1 車線，右折 1 車線の合計 3 車線から構成されてからの直進と右折の交通と東からの直進と左折の交 いる．現示数は 4 現示で，1φと 3φで東西方向と南通，また，歩行者の横断が認められている．2φでは 北方向の直進と右折の交通および歩行者の横断がそ
西からの直進と右折，東からの左折，南からの左折の交通がそれぞれ認められている．また，3φでは西 Nからの左折と南からの右左折の交通がそれぞれ認め
2 1られており，全体的に工夫した現示になっていると考えられる．
次に，図 4 の j=2 に位置する紙屋町信号交差点の車線構成と現示を示すと図 6 のようになる．交差形
状は十字交差で，南北方向に国道 54 号線が通り，東西方向および南方向に路面電車が通っている．東行
き流入路と西行き流入路，北行き流入路は，いずれも直左 1 車線，直進 1 車線，右折 1 車線の合計 3 車線から構成されている．それに対し，南行き流入路
は直左 1 車線，直進 2 車線，右折 1 車線の合計 4 車線から構成されている．現示数は 4 現示で，1φと 3
φで東西方向と南北方向の直進と右左折の交通がそれぞれ認められている．また，2φで東西方向の右折の交通が，4φで南北方向の右折の交通がそれぞれ認
1φ
2φ
3φ4φめられている．
また，図 4 の j=3 に位置する白神社前信号交差点の車線構成と現示を示すと図 7 のようになる．交差
形状は十字交差で，南北方向に国道 54 号線が通り，
図 6 紙屋町信号交差点の車線構成と現示
それに沿って路面電車が通っている．東行き流入路と西行き流入路は，直左 1 車線，直進 1 車線，右折N

N

1212122121

1 2 1 21φ2φ3φ

図 5 広島城南信号交差点の車線構成と現示

1φ

2φ

3φ4φ

図 7 白神社前信号交差点の車線構成と現示

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れぞれ認められている．また，2φと 4φで東西方向 交通量を車線単位，サイクル長単位で測定した結果と南北方向の右折の交通が認められている．この信 について，超過流入交通量を用いて交通渋滞の発生号交差点では全ての流入路に導流島が設置されてお 状況を整理する．ここで，超過流入交通量は，各信り，他の通行を妨げなければどの現示においても左 号交差点の車線単位，サイクル長単位の交通量収支折の通行が認められている．に基づき，青信号で信号交差点を通過できなかった最後に，図 4 の j=4 に位置する広島市役所前信号 捌け残り台数を表す．
交差点の車線構成と現示を示すと図 8 のようになる． 最初に，広島城南信号交差点では，北行き流入路
交差形状は十字交差で，東西方向に国道 2 号線が通 の右折 1 の車線において 17 時 10 分に超過流入交通
り，南行き流入路が国道 54 号線の終点となっており，量が最大値の 5 台となっている．
広島市内で交通量が最も多い信号交差点の一つであ
次に，紙屋町信号交差点では，東行き流入路の直る．東行き流入路は，左折 1 車線，直進 3 車線，右 左車線において 17 時 20 分に超過流入交通量が最大
折 2 車線の合計 6 車線から，また，西行き流入路は 値の 12 台となった．また，西行き流入路では直左，直左 1 車線，直進 2 車線，右折 2 車線の合計 5 車線 直進車線ともに，程度は小さいが頻繁に渋滞が発生からそれぞれ構成されている．国道 54 号線からの流 している．南行き流入路では右折車線で頻繁に渋滞入路となる南行き流入路は，左折 1 車線，直進 2 車 が発生しており，18 時 35 分に最大値の 13 台となっ線，右折 1 車線の合計 4 車線から構成されている． ている．
それに対し，北行き流入路は直左 1 車線，直進 1 車
また，白神社前信号交差点では，東行き流入路と線，右折 1 車線の合計 3 車線から構成されている． 西行き流入路の直左車線において，程度は小さいが現示数は 4 現示で，1φと 3φで東西方向と南北方向 頻繁に渋滞が発生している．南行き流入路の右折車の直進と右左折の交通および歩行者の横断がそれぞ 線では，図 9 に示されるように 17 時 40 分頃から流れ認められている．また，2φで東西方向の右左折の 入交通量が急激に増加し，図 10 に示されるように交通が，4φで南行き方向の右左折の交通と北行き方 17 時 48 分に最大 17 台の渋滞が発生した．
向の右折の交通がそれぞれ認められている．
最後に，広島市役所前信号交差点では，東行き流入路の右折 1 の車線において，17 時 42 分に超過流
４．２ 交通特性
上記の 4 つの信号交差点の全ての流入路において
直左直進右折流入交通量(台/サイクル長)30N

21123122015
105016:59 17:08 17:18 17:27 17:36 17:45 17:55 18:04 18:13 18:23 18:32 18:41 18:51 19:00

時刻21212φ

3φ

4φ

図9

白神社前信号交差点の南行き流入路における流入交通量の時間変動
直左

直進

右折

20
超過流入交通量(台/サイクル長)

1φ

25

15

105016:59 17:08 17:18 17:27 17:36 17:45 17:55 18:04 18:13 18:23 18:32 18:41 18:51 19:00
時刻

図 10 白神社前信号交差点の南行き流入路における超過
図 8 広島市役所前信号交差点の車線構成と現示

流入交通量の時間変動

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入交通量が最大値の 9 台となった．また，南行き流入路では右折車線において，北行き流入路では直左車線において，程度は小さいが頻繁に渋滞が発生している．
以上の 4 つの信号交差点における渋滞発生の主な原因は，いずれも流入交通量の急激な増加であることが分かった．

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くなっている．この理由として，この信号交差点は国道 2 号線と国道 54 号線が交差しており，いずれの流入路も交通量が非常に多いためであると考えられる．また，直進青信号スプリットは，国道 54 号線上の南行き流入路が平均 0.45 であり，それに交差する国道 2 号線上の流入路が 0.50 となっている．このことから，より流入交通量の多い国道 2 号線に青信号時間をより多く割り当てていることが明らかになった．

直進青信号スプリット

サイクル長(s)４．３ 信号制御特性
上記の 4 つの信号交差点の全ての流入路において，５．まとめサイクル長と青信号スプリットの 2 つの信号制御パラメータについて測定した．測定値に基づき，信号本稿では，幹線道路における信号制御システムの制御特性について考察する．
サイクル長は，現示が一巡する間の所要時間で， 一開発手法について提案し，広島市内国道 54 号線の一つの信号交差点のいずれの流入路においても等し 4 つの信号交差点における道路特性や交通特性，信い．また，青信号スプリットは，青信号時間をサイ 号制御特性について車線単位で解析した．その結果クル長で除した値で，一つの信号交差点において流 を要約すると以下のようになる．
入路ごとに異なる．
i) 渋滞は右折車線で多く発生しており，その原因最初に，広島城南信号交差点におけるサイクル長は流入交通量の急激な増加によることが分か
は，北行き流入路において多少変動しているが，平った．
均すると 140 秒となっている．また，東行き流入路 ii) サイクル長は，図 4 の j=1 から j=3 までの信号交差点において平均 140 秒であった．それに対と西行き流入路の直進青信号スプリットの平均値はそれぞれ 0.80 と 0.51 となっている．東行き流入路のスプリット値が西行き流入路のスプリット値を上
国道54号線の交差道路 ：m=1m=4国道54号線 ：m=2m=3回っているのは，図 5 の現示を見れば明らかである．
160
この信号交差点のスプリット値が他の信号交差点の値に比べて大きい理由として，この信号交差点が T150形交差であることと交通流の特性に起因しているも140のと考えられる．
次に，紙屋町信号交差点のサイクル長は，すべて130の流入路において多少の変動はあるものの，平均すると 140 秒となっている．また，直進青信号スプリ
120ットは，国道 54 号線上の流入路が平均 0.40 である
17:00
17:30
18:00
18:30
19:00
時刻のに対し，交差道路側は平均 0.30 と小さくなっており，交通量の比を反映しているものと考えられる． 図 11 白神社前信号交差点におけるサイクル長の時間変動
また，白神社前信号交差点のサイクル長は，図 11に示されるように，全ての流入路において平均する
m=1m=4国道54号線の交差道路 ：m=2m=3
国道54号線 ：と 140 秒となっている．図 11 でサイクル長の測定0.6
値が流入路によって異なっているのは，測定日の違0.5いに基づいている．直進青信号スプリットは，図 12に示されるように，国道 54 号線上の流入路が平均0.40.34 であるのに対し，交差道路側は平均 0.42 と大きくなっている．これは，交差道路が平和大通りであ0.3り，交通量が多くなっているためにスプリット値が0.2大きく割り当てられているものと考えられる．
17:00
17:30
18:00
18:30
19:00
時刻
最後に，広島市役所前信号交差点のサイクル長は北行き流入路と西行き流入路で大きく変動しており，図 12 白神社前信号交差点における直進青信号スプリットの時間変動平均値は 160 秒と全ての信号交差点の中で最も大き89

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iii) し，j=4 の信号交差点では平均 160 秒と最大値を示した．これは，この信号交差点が主要幹線道路の国道 2 号線と国道 54 号線が交差しているためであると考えられる．
iv) 青信号スプリットは，j=1 と j=2 の信号交差点
では国道 54 号線上の流入路により大きく割り当てられていた．それに対し，j=3 と j=4 の信号交差点では交差道路の流入路により大きく割り当てられていた．これは，この交差道路がそれぞれ平和大通りと国道 2 号線となっており，交通量がより多いためであると考えられる．
v) 現実の信号制御は，基本的に妥当性のあるものであることが分かった．
今後，国道 54 号線の 4 つの信号交差点を対象に
図 3 の信号制御システムの開発手順に従ってシミュレーションを実行し，より有効な渋滞制御システムの開発を目指す．
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